關(guān)于高精度電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀設(shè)計(jì)探析

劉芬

摘 要：由于智能電網(wǎng)的普及，傳統(tǒng)的電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀已不能滿足當(dāng)前電力供應(yīng)的需求，而三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀由于其高精度、多功能、低成本的特點(diǎn)，已成為目前被業(yè)界普遍看好的適用于新的電力供應(yīng)環(huán)境的電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀。從三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)原理入手，對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，并對(duì)其測量算法進(jìn)行了分析，深入探討了其在電能表現(xiàn)場校驗(yàn)方面的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場校驗(yàn)儀；高精度；電能表；A/D轉(zhuǎn)換器

中圖分類號(hào)：TM933.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.046

1 系統(tǒng)工作原理和硬件結(jié)構(gòu)分析

1.1 電參量測量

三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀在進(jìn)行電參量測量時(shí)，經(jīng)過精密電阻分壓、電流互感器的變換和高性能程控增益量程切換后，三相電壓和三相電流即被轉(zhuǎn)換成滿足ADC輸入要求的交流信號(hào)；然后以精確的電序在倍頻鎖相電路、高帶DSP和FPGA的控制下再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸送到DSP芯片中進(jìn)行數(shù)字化交流信號(hào)的分析、運(yùn)算，經(jīng)過處理最終得到電參量的測量值，并進(jìn)行輸出顯示打印。

1.2 電能表校驗(yàn)

將被測電能表的低頻脈沖通過校驗(yàn)儀的電能脈沖輸入接口接收，然后通過對(duì)電表常數(shù)和轉(zhuǎn)數(shù)的設(shè)定，利用電能表的輸出電能脈沖時(shí)間間隔換算出電能表的電能量，并與校驗(yàn)儀檢測出的電能量進(jìn)行對(duì)比，從而得出電能表實(shí)際的誤差百分比。

1.3 電能脈沖輸出

三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀可以利用其DSP芯片的高速優(yōu)勢，結(jié)合軟件方法快速提升電能表的瞬時(shí)功率，使電能值得到不斷累加并輸出一個(gè)高頻脈沖，而通過對(duì)高頻脈沖的分頻可得到低頻脈沖，輸出標(biāo)準(zhǔn)高低頻電能脈沖為fH=100 kHz 或10 kHz，fL=1 Hz。這種方法只需少量占用DSP的定時(shí)器資源即可完成標(biāo)準(zhǔn)高低脈沖的產(chǎn)生。

1.4 其他功能

三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀的功能不僅僅是對(duì)電能表進(jìn)行單純的校驗(yàn)工作，還可顯示三相電壓和電流的向量圖，也可反映電能電中出現(xiàn)的接線錯(cuò)誤等，同時(shí)還具有存儲(chǔ)和查詢數(shù)據(jù)的功能，并將這些數(shù)據(jù)向控制終端輸送。

2 核心部件工作原理與電路設(shè)計(jì)

2.1 倍頻鎖相電路

倍頻鎖相電路的設(shè)計(jì)原理是根據(jù)采樣速率與測量頻率之間的整倍數(shù)關(guān)系，采用DFT頻譜分析以達(dá)到完全消除誤差的理論進(jìn)行相關(guān)電路的設(shè)計(jì)，由此產(chǎn)生基于測量信號(hào)整倍數(shù)的方波來實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的控制，獲得對(duì)同步整周期和跟蹤濾波的采樣數(shù)據(jù)。

三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀采用了74HC4046A作為中倍頻鎖相電路的主芯片。由于相關(guān)電路具有實(shí)時(shí)跟蹤性，即使是被測信號(hào)的頻率發(fā)生了變化，倍頻鎖相電路依然可以在短時(shí)間內(nèi)迅速鎖定被測信號(hào)，并使其始終滿足采樣速率與測量頻率之間的整倍數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)一周內(nèi)對(duì)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行同步間隔采樣。

2.2 AD73360及其與DSP的接口

2.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

在對(duì)電參量的運(yùn)算公式中，對(duì)于電壓和電流提出了同一時(shí)刻的對(duì)應(yīng)值要求，因此需要同時(shí)進(jìn)行電壓和電流的采樣工作，而實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩個(gè)量值的同時(shí)采樣的方法主要有2種：①用一片單通道高速A/D轉(zhuǎn)換器與多片采樣保持器、多路模擬開關(guān)進(jìn)行電路組合對(duì)6路信號(hào)采樣，然后利用模擬開關(guān)將信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。這種方法對(duì)成本要求不高，但對(duì)電路布置和編程的要求很高。②采用多通道高速A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采集。目前，一種由AD公司推出的具有編程16位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器AD73360雖然存在速度較低的問題，但是由于其采樣率達(dá)到了64 K且抗干擾能力強(qiáng)、量化噪聲小、分辨率高和線性度好等優(yōu)點(diǎn)，足以滿足高精度儀表的采樣要求，因此選定AD73360為三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀的A/D轉(zhuǎn)換器。

2.2.2 TMS320LF2407與AD73360接口電路設(shè)計(jì)

TMS320LF2407與AD73360都擁有16位的同步串行口。這一點(diǎn)滿足了校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)要求，但是TMS320LF2407的4總線結(jié)構(gòu)不符合AD73360的6總線結(jié)構(gòu)的通信標(biāo)準(zhǔn)。為滿足設(shè)計(jì)要求，必須進(jìn)行對(duì)TMS320LF2407接口的總線擴(kuò)展工作，以使其能與AD73360實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)串行口的相連，從而滿足對(duì)數(shù)據(jù)的同步傳輸工作。

根據(jù)不同總線結(jié)構(gòu)同步串行口的工作原理和時(shí)序分析，將TMS320LF2407的SPISTE接地，IOPE5與AD73360的RESET和CE相連接，控制AD73360的復(fù)位和串行口；AD73360的2個(gè)幀同步信號(hào)接成幀同步返回環(huán)方式，即輸出幀同步SDOFS作為輸入幀同步SDIFS，同時(shí)連接DSP的XINT1輸入端，作為DSP的收/發(fā)數(shù)據(jù)的幀同步信號(hào)，再通過軟件設(shè)計(jì)使DSP與AD73360實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)通信。

2.3 MCU與FPGA

MCU采用的是美國ATEML公司的產(chǎn)品ATmega16L，其特點(diǎn)是低功耗、低價(jià)格，由于其利用了RISC精簡指令集，在運(yùn)行速度上明顯高于其他普通單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示器、打印機(jī)、鍵盤、串行E2PROM和擋位切換等的控制，且在抗干擾能力方面表現(xiàn)優(yōu)秀。

FPGA則采用了xc2s30tq144-6。該設(shè)備是XILINX公司生產(chǎn)的SPARTAN2系列中一種，可以配合DSP完成對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的控制，完成電能表頻率、相位的測量。

3 軟件測量算法

高精度電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀的功能一方面體現(xiàn)在對(duì)電能表相關(guān)電能數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測量上，另一方面也體現(xiàn)在對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的處理、運(yùn)算上。以下對(duì)校驗(yàn)儀主要測量項(xiàng)目的運(yùn)算方法進(jìn)行說明。

3.1 U，I測量

確定電壓、電流的周期性均方根值，其定義公式為：

如果將一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓值用一個(gè)周期內(nèi)有限的電壓采樣數(shù)據(jù)量來代替，那么公式則變?yōu)椋?/p>

式（2）中：ΔTn為連續(xù)2次采樣的間隔時(shí)間；un為第n次采樣時(shí)測得的電壓瞬時(shí)值；N為周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。

由于鎖相電路進(jìn)行的是周期定點(diǎn)采樣，因此可以確定采樣的間隔時(shí)間始終相等，由此得出根據(jù)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓有效值的公式為：

3.2 有功功率測量

基于一相有功功率離散化測量公式：

得出三相有功功率測量公式為：

式（6）中：un，in分別為同一時(shí)刻測量采樣到的電壓和電流值。

3.3 無功功率測量

無功功率的測量是將電流進(jìn)行數(shù)字式的移相90°，再與電壓乘積的周期性積分獲得，其公式為：

3.4 功率因數(shù)測量

相關(guān)公式為：

3.5 累計(jì)電能

累計(jì)電能分為有功電能和無功電能2類，可通過對(duì)有功功率和無功功率的連續(xù)累計(jì)獲得。

3.6 諧波分析

將采樣數(shù)據(jù)的離散序列進(jìn)行基2.128點(diǎn)的DFT變換，可獲得各次諧波的有效值。在進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)，測量公式中都使用了多種數(shù)字濾波手段，以保證測量的精度。

4 結(jié)束語

針對(duì)供電部門為實(shí)現(xiàn)更高效的供電能力提升而提出的對(duì)電能表的高精度校驗(yàn)要求，本文根據(jù)數(shù)字電能表的工作原理和方式，并結(jié)合了當(dāng)前供電系統(tǒng)對(duì)電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀的功能標(biāo)準(zhǔn)，提出了符合目前對(duì)各類型電能表進(jìn)行現(xiàn)場校驗(yàn)的高精度校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)方案。由該方案設(shè)計(jì)制造出的三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用，其精準(zhǔn)度可達(dá)到0.05級(jí)，并且在抗干擾性、便攜性和適應(yīng)復(fù)雜的測量環(huán)境方面表現(xiàn)出了優(yōu)于其他同類設(shè)備的優(yōu)勢，完全能夠滿足日常工作中對(duì)電能表的現(xiàn)場校驗(yàn)要求，是有推廣價(jià)值的新型數(shù)字化高精度電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕